东北师范大学教师在新型钾离子电池负极材料领域取得重要进展

近日，我校吴兴隆教授课题组在钾离子电池负极材料方向上取得重要研究进展。该研究进行合理的材料组成和结构设计，开发了一种容量高、循环稳定性好的共价有机骨架负极材料（P-COF@SWCNT），在0.05 A/g电流密度下储钾容量可达438 mAh/g，并且充放电循环1400圈后仍未有储钾性能的明显衰减。该成果以“Covalent Organic Framework with Highly Accessible Carbonyls and π-Cation Effect for Advanced Potassium-Ion Batteries”为题，发表于国际著名期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。吴兴隆教授为论文的唯一通讯作者，化学学院2019级硕士研究生罗晓曦为论文第一作者。近三年来，课题组培养的硕士生连续地在先进电池材料方面取得系列重要研究进展，2016~2019级研究生硕士阶段的代表性成果分别地发表在学科顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials)、《能源环境科学》(Energy & Environmental Science)、《能源环境材料》(Energy & Environmental Materials)和《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上，在硕士研究生培养上取得突出成绩。

 

作为下一代的可充电电池，钾离子电池具有资源丰富、与锂离子电池工作原理相似等优点，受到越来越多的关注和研究。然而，钾离子的离子半径较大，鲜有合适的无机材料能够稳定可逆地存储钾离子而不受破坏，限制了钾离子电池的发展。与常见的无机电极材料相比，共价有机骨架一般由轻质元素（包括C、N、O和S等）组成，具有容量高、环境友好、价格低廉等优点。而且，有机化合物具有的独特柔性结构、丰富活性基团等特性，可以稳定地存储大量的钾离子电池。该研究工作通过合理的分子和结构设计，将共价有机骨架与碳纳米管复合（如图1所示），合成了P-COF@SWCNT复合负极材料。在保留了原有有机电极材料储钾优势的同时，碳纳米管导电网络的构建规避了有机材料本身电子电导性低等缺点，实现了载流子的高效传输和优异的储钾性能。通过FTIR、Raman、XPS等表征手段（如图2所示）与理论计算相结合，确定了储钾的活性位点为共价有机骨架的C=O与萘环，在充放电过程中通过烯醇化反应和π-K+相互作用实现K+在材料中的可逆存储。